Треть своей жизни мы спим. При этом мы не достигаем карьерных вершин и пребываем в беззащитном состоянии. С позиции жизненных амбиций, сон – занятие бесполезное, однако нет ни одного человека, который бы не спал.
Когда появился сон?
Долгое время считалось, что спят только беспозвоночные, однако последние исследования, проводившиеся в научном сообществе, доказали, что спят даже раки и пчелы. Cегодня ученые уже не сомневаются, что сон как эволюционный механизм появился очень давно, примерно 600 миллионов лет назад. По мнению доктора Гуилио Тонони, психиатра из Висконсинского университета, сон возник как средство для отдыха нервных клеток после «тяжелого учебного дня».
Кровь к голове
До начала XX века серьезных исследований в области сомнологии не проводилось. В XIX веке среди физиологов была популярна теория, что человек засыпает тогда, когда у человека кровь отливает от головы, мозгу перестает хватать питания и в нем включаются процессы торможения.
Сторонником этой теории был французский физиолог Моссо. Он даже проводил опыты на кровати-качели. Через некоторое время после того, как человек засыпал в ней в горизонтальном положении, её изголовье приподнималось, что подтверждало теорию, однако потом напротив – поднималось изножье кровати, что теорию опровергало.
Более точными методами определения того, почему человек засыпает, в то время ученые ещё не обладали.
Свобода и «сонный яд»
По теории Фрейда, потребность во сне запрограммирована, и сон – это естественный механизм, который позволяет человеку уйти от внешнего мира в царство свободы, вернуться в «лоно матери». Также по Фрейду сон – способ усвоить приобретенную за день информацию и восстановить психическое равновесие.
Другие психологи, французы Лежандр и Пьерон, стали авторами более физиологичной теории потребности человека во сне. По их мнению, человек засыпает под влиянием гипнотоксина – «сонного яда», который накапливается в организме в течение дня, а во время сна нейтрализуется.
Лежандр и Пьерон проводили эксперименты на собаках. Собаке не давали спать. Когда животное в конце концов умирало от недосыпания, в его мозгу действительно находили изменения, похожие на следы отравления. Больше того, когда ученые переливали кровь невыспавшейся собаки собаке выспавшейся, вторая проявляла признаки сонного поведения и засыпала.
Несмотря на все усилия ученых выделить этот гипотетический «сонный яд», у них этого так и не получилось.
Электричество мозга
В 1937 году сомнология сделала большой шаг вперед: Альфред Лумнис впервые предложил классификацию стадий сна, основанную на показаниях электроэнцефалограммы.
Ученый выделил четыре фазы сна, и только в 1953 году американские ученые Натаниэл Клейтман и Юджин Азерински открыли пятую стадию сна, названную «быстрым» сном. Такое название эта фаза сна получила на основании наблюдений за спящим – глазные яблоки быстро двигаются под неприкрытыми веками, руки и ноги эпизодически подергиваются. При этом биоэлектрическая активность мозга сильно напоминает период бодрствования.
За время ночи проходит обычно 4-6 циклов сна, средняя продолжительность цикла у взрослых людей 90 минут, у детей – час.
Зачем же мы спим?
Несмотря на то, что во время сна организм как будто бездействует, он по-прежнему работает, в нем происходит масса изменений, как на биохимическом, так и на нейронном уровне.
Во время сна дыхание становится в 2-2,5 раза менее глубоким, замедляется сердечный ритм, уменьшается секреция гормонов стресса адреналина и кортизола, усиливается выработка соматотропного гормона и мелатонина.
В мозгу человека условно можно выделить 10 главных центров, отвечающих за сон и бодрствование (в пропорции 2/8). Центры сна содержат такие универсальные тормозящие вещества как гамма-аминомасляная кислота и пептид галанин.
Человек испытывает сонливость, когда центры сна начинают интенсивно работать, подавляя активность центров бодрствования, в том же время корковые нейроны мозга переходят на уровень электрической активности, свойственный для состояния медленной фазы сна.
Главную роль в переходе из состояния бодрствования в состояние медленного сна играет накопление медиатора усталости аденозина и гормона сна мелатонина, а также импульсация внутренних часов организма (супрахиазменных ядер).
Может ли человек не спать?
Не спать совсем человек, конечно, не может. Рекорд по бессонице на сегодняшний день принадлежит англичанке Морин Вестон, которая, участвуя в марафоне кречел-качалок, продержалась без сна 449 часов (почти 19 суток). Официально зарегистрированный рекорд, вошедший в Книгу рекордов Гиннеса (1965), принадлежит американскому студенту Рэнди Гарднеру. Он не спал 264 часа (11 суток). После этого он проспал 14 часов 40 минут, а гинессовский комитет отказался от продолжения подобных экспериментов, так как они небезопасны для здоровья.
Зачем мы спим? Мы спим каждый день с самого рождения, не задумываясь над этим вопросом?
Ученым еще предстоит создать единую теорию сна, ведь сон действительно на данный момент - темное пятно в области научных исследований. Только в 20-м веке ученые обнаружили, что человеческий мозг проявляет во время сна активность. До этого он считался бессмысленным для области научных исследований сна.
В этой статье мы откроем некоторые основные факты о сне, знать о которых полезно каждому.
Циклы сна
Сон человека (как и всех млекопитающих и птиц) состоит из двух фаз:
- REM-сон (от англ. Rapid Eye Movement - быстрое движение глаз ) - быстрый сон
- Медленный сон (NREM)
Каждый из этапов обладает своими физиологическими, неврологическими и психологическими особенностями. В течение всего сна фазы циклически сменяют друг друга.
В конце 1960-х годов ученыt Рехтшаффен и Калес выделили основной цикл, отражающий различные уровни сознания. Она выглядит так:
Полный цикл длится примерно от 90 до 110 минут. Так за время восьмичасового сна происходит примерно пять таких циклов.
Из графика видно, что преобладает фаза медленного сна. REM-сон длится только около 10 минут в конце цикла. Однако, NREM-фазы некоторых циклов (обычно ближе к концу сна) получаются короче и REM-сон увеличивается.
Обычно человек видит сны в стадии REM-сна, хотя иногда сны снятся и в стадии медленного сна. Теперь взглянем на характеристики нормального цикла сна:
СТАДИЯ 1 NREM (чуткий сон): Происходит снижение активности головного мозга от частоты альфа-волн бодрствования (8 - 13 Гц) до дремотных тэта-волн (4 - 7 Гц). Снижается мышечный тонус. В этой стадии могут интуитивно появляться идеи, способствующие успешному решению той или иной проблемы.
СТАДИЯ 2 NREM (чуткий сон): На этой стадии появляются так называемые «сонные веретёна» - сигма-ритм, представляющий собой учащенный альфа-ритм (12 - 16 Гц) и K-комплексов. Происходит отключение сознания. В паузы между веретёнами (возникают 2—5 раз в мин) человека легко разбудить.
СТАДИЯ 3 NREM (медленный сон): Мозговая активность снижается до дельта-волн (0,5 - 4 Гц) - самая низкая частота глубокого сна. Характеризуется всеми чертами второй стадии, в том числе наличием «сонных веретён», к которым добавляются медленные высокоамплитудные дельта-волны.
СТАДИЯ 4 NREM (медленный сон): Самый глубокий сон. Третью и четвёртую стадии часто объединяют под названием дельта-сна . В это время человека разбудить очень сложно; возникают 80 % сновидений и именно на этой стадии возможны приступы лунатизма и ночные кошмары.
REM-сон: Активность мозга повышается до частоты бодрствования бета-волн (12 Гц). В эту стадию человек находится в полной неподвижности вследствие резкого падения мышечного тонуса. Наблюдается быстрое движение глазных яблок. Именно в стадии REM-сна человек видит самые яркие сны.
Циркадные ритмы
Цикличность сна человека контролируется циркадными часами. Эти внутренние биологически часы человеческий мозг использует для контроля температуры тела и высвобождения некоторых химических веществ (нейротрансмиттеров) в нужное время.
Ближе к ночному времени мозг дает сигнал, вызывающий синтез и выделение в кровоток вызывающего сон нейрогормона мелатонина и человек начинает ощущать сонливость, температура тела падает. Аналогично, в первой половине дня мозг вырабатывает нейротрансмиттеры, вызывающие пробуждение.
Функции сна
Мы рассмотрели циклы сна. Теперь перейдем к его функциям. Почему мы спим, расходуя на сон треть нашей жизни?
Сон - естественное состояние всех млекопитающих, птиц, рептилий, амфибий и рыб. Но различия в продолжительности сна - ошеломляющие:
Эти различия породили несколько эволюционных теорий сна. Одна из теорий состоит в том, что животные, которые являются низшими в пищевой цепочке, спят меньше - потому что они более подвержены нападениям. Есть противоположная теория, говорящая о том, что сон защищает от хищников, так как во время сна мы прячемся в укромном месте.
Однако обе теории имеют пробелы. Если долго бодрствовать, наш организм в конечном итоге заставит нас восстановить силы во сне - даже под угрозой нападения со стороны хищников.
Функции сна:
1. ради отдыха: в течение всего дня мы активны. Эта активность требует большого количества энергии для работы иммунной и нервной систем, а также наших мышц и костей. Восполнить затраченную энергию мы можем во время еды и сна.
2. исцеление: во время сна происходит исцеление тела нашего тела. Опыты над крысами показали, что лишение сна замедляет заживление процесс ожогов.
3. обучение: сон улучшает организацию работы мозга - путем отбора важных воспоминаний и отбрасывания нежелательной информации. Было проведено исследование, в котором принимали участие 40 человек. Им было разрешено спать по 26 минут в течение суток. Затем они прошли тестирование, которое показало, что их память ухудшилась на 38% в течение четырех дней. Исследование показало, что лишение REM-сна значительно усложняет процесс запоминания и способность решать проблемы. Другие эксперименты над сном показали, что «процедурная память» (знание того, как нужно действовать) и "декларативная память" (знание фактов и событий) зависят от REM-сна.
Так же существует предположение, что сон необходим человеку из-за сновидений. Иначе, почему же мы видим сны, если они бесполезны? Найдет ли подтверждение эта теория - покажет время.
|Все от плодовых мушек до дельфинов нуждаются в том, чтобы время от
времени прикрывать глаза. Причина тому, по-видимому, кроется в мозге и
остаётся одной из главных загадок биологии.
На это занятие мы тратим около трети своей жизни. Если нас этого лишить, мы заболеем . Но мы до сих пор не знаем хорошенько, зачем нам надо спать.
На первый взгляд, ответ очевиден: чтобы мозг и другие органы могли
отдохнуть и восстановиться. Но почему мы не можем отдохнуть, оставаясь в
сознании и продолжая быть начеку? Почему мы не можем восстановить силы,
бодрствуя? Загадка...
Сон - настолько распространённое в природе явление, что оно должно быть безумно полезным. Даже плодовые мушки и нематоды временами впадают в состояние полного бездействия, из которого выходят не очень легко, то есть сон свойствен даже простейшим животным. Но многолетние наблюдения так и не дали корреляции между сном и физиологическими потребностями у животных. Так что ещё одной тайной является многообразие видов сна.
Например, некоторые летучие мыши спят 20 часов в сутки, а крупные травоядные млекопитающие - менее четырёх часов. Лошадям и вовсе достаточно вздремнуть стоя в течение нескольких минут, которые за сутки складываются примерно в три часа. Некоторые новорожденные дельфины и киты бодрствуют вместе с матерями на протяжении всего первого месяца.
Короче, обнаружить единую, универсальную функцию сна так и не удалось. «Физиологические изменения во время сна сильно варьируются у разных видов, - отмечает Маркос Фрэнк из Пенсильванского университета (США). - Но у всех сон отражается на работе мозга ». Поэтому большинство исследователей сосредоточились на этом органе. Наиболее очевидным признаком сна признана, условно говоря, потеря «сознания» (или сокращение «сознательности» у некоторых животных). И недостаток сна приводит к когнитивному кризису не только у людей, но и у крыс, плодовых мушек и почти всех остальных изученных видов.
Основную часть сна занимает медленноволновая фаза, известная также, как третья стадия или стадия глубокого сна (см. диаграмму). Её свойственны характерные волны электрической активности мозга, вызванные синхронизированной активацией нейронов, происходящей примерно раз в секунду. С нею смешиваются другие этапы - фаза быстрого движения глаз, когда деятельность мозга напоминает бодрствование, и переходы между ними.
Считается, что сон - это именно медленноволновый этап, ибо именно в этот период происходит всё то, что должен сделать для организма сон. Именно в этой фазе работа мозга наиболее сильно отличается от бодрствования. В её начале волны становятся особенно большими, когда потребность во сне особенно велика. Если вы долго не спите, эти медленные волны будут нарастать, пока вы не заклюёте носом.
Объяснение функций сна можно разделить на две большие группы: одни связаны с «ремонтом» и «обслуживанием» мозга, а другие - с выполнением мозгом уникальных для сна функций.
Сто лет назад считалось, что в период бодрствования в нас вырабатывается некий токсин, накоплению которого мы в конце концов не можем сопротивляться и засыпаем, чтобы дать возможность мозгу очиститься. Такое вещество не было обнаружено, и современный вариант той же гипотезы гласит: днём происходит постепенное снижение поставок больших молекул, необходимых для работы мозга, в том числе белков, РНК и холестерина. Запасы пополняются как раз во время сна. В экспериментах над животными выяснилось, что производство таких молекул увеличивается во время медленноволновой фазы сна. Однако, по словам скептиков, это лишь корреляция и нельзя говорить о том, что наше желание спать зависит от уровня этих молекул.
Вторая группа тоже имеет давнюю историю. Ещё Зигмунд Фрейд предположил, что все сновидения посвящены исполнению заветных желаний (часто замаскированному), но в науке эта гипотеза не нашла подтверждения. Однако есть веские причины считать, что во время сна мозг всё же выполняет одну очень важную и уникальную функцию - он занимается консолидацией памяти. Воспоминания не высекаются в камне в момент события. Поначалу они хранятся в своего рода ОЗУ и лишь потом то, что по каким-то причинам показалось важным, отправляется в ПЗУ.
Эксперименты и на животных, и на людях показывают, что самые сильные воспоминания формируются, когда моменты запоминания и вспоминания разделяет сон. Например, в ходе одного из опытов электроды, размещённые в крысиных мозгах, показали, что во время сна небольшие группы нейронов воспроизводят тот режим деятельности, который впервые был зарегистрирован, когда крысы бодрствовали и учились.
С 2003 года набирает силу новая гипотеза, объединяющая оба объяснения. В центре её внимания - синапсы, с помощью которых общаются нейроны. Известно, что при формировании воспоминаний синапсы участвующих в этом процессе нейронов становятся сильнее. Основная мысль заключается в том, что в состоянии бодрствования мы постоянно создаём новые воспоминания и, следовательно, укрепляем синапсы. Но этот процесс не может продолжаться бесконечно: в какой-то момент был бы достигнут максимум энергетической эффективности и новые воспоминания перестали бы формироваться. Решением этой проблемы становится фаза медленноволнового сна: в отсутствие входящего потока данных медленно «стреляющие» нейроны постепенно снижают силу синапсов по всем направлениям, сохраняя при этом относительную разницу в силе между синапсами, позволяя новым воспоминаниям сохраниться (см. диаграмму ниже).
На это занятие мы тратим около трети своей жизни. Если нас этого лишить, мы заболеем. Но мы до сих пор не знаем хорошенько, зачем надо спать.
На первый взгляд, ответ очевиден: чтобы мозг и другие органы могли отдохнуть и восстановиться. Но почему мы не можем отдохнуть, оставаясь в сознании и продолжая быть начеку? Почему мы не можем восстановить силы, бодрствуя? Загадка...
Сон - настолько распространённое в природе явление, что оно должно быть безумно полезным. Даже плодовые мушки и нематоды временами впадают в состояние полного бездействия, из которого выходят не очень легко, то есть сон свойствен даже простейшим животным. Но многолетние наблюдения так и не дали корреляции между сном и физиологическими потребностями у животных. Так что ещё одной тайной является многообразие видов сна.
Например, некоторые летучие мыши спят 20 часов в сутки, а крупные травоядные млекопитающие - менее четырёх. Лошадям и вовсе достаточно вздремнуть стоя в течение нескольких минут, которые за сутки складываются примерно в три часа. Некоторые новорожденные дельфины и киты бодрствуют вместе с матерями на протяжении всего первого месяца.
Короче, обнаружить единую, универсальную функцию сна так и не удалось. «Физиологические изменения во время сна сильно варьируются у разных видов, - отмечает Маркос Фрэнк из Пенсильванского университета (США). - Но у всех сон отражается на работе мозга». Поэтому большинство исследователей сосредоточились на этом органе. Наиболее очевидным признаком сна признана, условно говоря, потеря «сознания» (или сокращение «сознательности» у некоторых животных). И недостаток сна приводит к когнитивному кризису не только у людей, но и у крыс, плодовых мушек и почти у всех остальных изученных видов.
Основную часть сна занимает медленноволновая фаза, известная как третья стадия, или стадия глубокого сна (см. диаграмму). Её свойственны характерные волны электрической активности мозга, вызванные синхронизированной активацией нейронов, которая происходит примерно раз в секунду. С ней смешиваются другие этапы - фаза быстрого движения глаз, когда деятельность мозга напоминает бодрствование, и переходы между ними.
Считается, что сон - это именно медленноволновой этап, ибо как раз в этот период происходит всё то, что должен сделать для организма сон. Именно в этой фазе работа мозга сильнее всего отличается от бодрствования. В её начале волны становятся особенно большими, когда потребность во сне максимальна. Если вы долго не спите, эти медленные волны будут нарастать, пока вы не заклюёте носом.
Функции сна можно разделить на две большие группы: одни связаны с «ремонтом» и «обслуживанием» мозга, а другие - с выполнением мозгом уникальных для сна задач.
Сто лет назад считалось, что в период бодрствования в нас вырабатывается некий токсин, накоплению которого мы в конце концов не можем сопротивляться и засыпаем, чтобы дать возможность мозгу очиститься. Такое вещество не было обнаружено, и современный вариант той же гипотезы гласит: днём происходит постепенное снижение поставок больших молекул, необходимых для работы мозга, в том числе белков, РНК и холестерина. Запасы пополняются как раз во время сна. В экспериментах с животными выяснилось, что производство таких молекул увеличивается во время медленноволновой фазы сна. Однако, по словам скептиков, это лишь корреляция и нельзя говорить о том, что наше желание спать зависит от уровня этих молекул.
Вторая группа тоже имеет давнюю историю. Ещё Зигмунд Фрейд предположил, что все сновидения посвящены исполнению заветных желаний (часто замаскированному), но в науке эта гипотеза не нашла подтверждения. Однако есть веские причины считать, что во время сна мозг всё же выполняет одну очень важную и уникальную функцию: он занимается консолидацией памяти. Воспоминания не высекаются в камне в момент события. Поначалу они хранятся в своего рода ОЗУ, и лишь потом то, что по каким-то причинам показалось важным, отправляется в ПЗУ.
Эксперименты и на животных, и на людях показывают, что самые сильные воспоминания формируются, когда моменты запоминания и вспоминания разделяет сон. Например, в ходе одного из опытов электроды, размещённые в крысиных мозгах, показали, что во время сна небольшие группы нейронов воспроизводят тот режим деятельности, который впервые был зарегистрирован, когда крысы бодрствовали и учились.
С 2003 года набирает силу новая гипотеза, объединяющая оба объяснения. В центре её внимания - синапсы, с помощью которых общаются нейроны. Известно, что при формировании воспоминаний синапсы участвующих в этом процессе нейронов становятся сильнее. Основная мысль заключается в том, что в состоянии бодрствования мы постоянно создаём новые воспоминания и, следовательно, укрепляем синапсы. Но этот процесс не может продолжаться бесконечно: в какой-то момент был бы достигнут максимума энергетической эффективности и новые воспоминания перестали бы формироваться. Решением этой проблемы становится фаза медленноволнового сна: при отсутствии входящего потока данных медленно «стреляющие» нейроны постепенно снижают силу синапсов по всем направлениям, сохраняя при этом относительную разницу в силе между синапсами и позволяя новым воспоминаниям сохраниться (см. диаграмму ниже).
«Гипотеза гомеостаза синапсов» получила немало доказательств. Сканирование человеческого мозга говорит о том, что наше серое вещество требует больше энергии в конце дня, чем в начале. Джулио Тонони и Кьяра Сирелли из Университета штата Висконскин в Мэдисоне (США), предложившие гипотезу, показали, что у грызунов и плодовых мушек прочность синапсов возрастает в период бодрствования и падает во время сна. Более того, когда мы изучаем то, что требует работы определённой части мозга, именно эта область генерирует более интенсивные медленные волны во время последующего сна.
Несмотря на большое внимание, которое в последние годы получила эта гипотеза, она ещё не успела завоевать сердца всех и каждого. Например, нейробиолог Джерри Сигел из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (США) придерживается мнения о том, что сон - это просто адаптивный способ сэкономить энергию, не занимаясь кормлением и размножением. Животное находит укромное место, прячется в нём и бережёт себя для будущего. А различия в образе сна между видами - следствие различий в образе жизни.
Но большинство всё же склоняется к тому, что функция сна столь же сложна, сколь сложен мозг. Наверное, лаконичный ответ на вопрос о том, почему мы спим, едва ли удастся получить.
Подготовлено по материалам NewScientist.
Загрузка...
